Векторном способе представления графической информации
Урок 14. Два подхода к представлению графической информации. Растровая и векторная графика. Модели цветообразования
Кодирование графической информации
Графическая информация
Из курса информатики 7 — 9 классов вы знакомы с общими принципами компьютерной графики, с графическими технологиями. Здесь мы немного подробнее, чем это делалось раньше, рассмотрим способы представления графических изображений в памяти компьютера.
Принцип дискретности компьютерных данных справедлив и для графики. Здесь можно говорить о дискретном представлении изображения (рисунка, фотографии, видеокадров) и дискретности цвета.
Дискретное представление изображения
Изображение на экране монитора дискретно. Оно составляется из отдельных точек, которые называются пикселями (picture elements — элементы рисунка). Это связано с техническими особенностями устройства экрана, независимо от его физической реализации, будь то монитор на электронно-лучевой трубке, жидкокристаллический или плазменный. Эти «точки» столь близки друг другу, что глаз не различает промежутков между ними, поэтому изображение воспринимается как непрерывное, сплошное. Если выводимое из компьютера изображение формируется на бумаге (принтером или плоттером), то линии на нем также выглядят непрерывными. Однако в основе все равно лежит печать близких друг к другу точек.
В зависимости от того, на какое графическое разрешение экрана настроена операционная система компьютера, на экране могут размещаться изображения, имеющие размер 800 х 600, 1024 х 768 и более пикселей. Такая прямоугольная матрица пикселей на экране компьютера называется растром.
Качество изображения зависит не только от размера растра, но и от размера экрана монитора, который обычно характеризуется длиной диагонали. Существует параметр разрешения экрана. Этот параметр измеряется в точках на дюйм (по-английски dots per inch — dpi). У монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на экране составляет примерно 28 х 21 см. Зная, что в одном дюйме 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800 х 600 пикселей разрешение экранного изображения равно 72 dpi.
При печати на бумаге разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая печать полноцветного изображения требует разрешения 200-300 dpi. Стандартный фотоснимок размером 10 х 15 см должен содержать примерно 1000 х 1500 пикселей.
Дискретное представление цвета
Восстановим ваши знания о кодировании цвета, полученные из курса информатики основной школы. Основное правило звучит так: любой цвет точки на экране компьютера получается путем смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Этот принцип называется цветовой моделью RGB (Red, Green, Blue).
Двоичный код цвета определяет, в каком соотношении находятся интенсивности трех базовых цветов. Если все они смешиваются в одинаковых долях, то в итоге получается белый цвет. Если все три компоненты «выключены», то цвет пикселя — черный. Все остальные цвета лежат между белым и черным.
Дискретность цвета состоит в том, что интенсивности базовых цветов могут принимать конечное число дискретных значений.
Пусть, например, размер кода цвета пикселя равен 8 битам — 1 байту. Между базовыми цветами они могут быть распределены так:
2 бита — под красный цвет, 3 бита — под зеленый и 3 бита — под синий.
Интенсивность красного цвета может принимать 2 2 = 4 значения, интенсивности зеленого и синего цветов — по 2 3 = 8 значений. Полное число цветов, которые кодируются 8-разрядными кодами, равно: 4 — 8 — 8 = 256 = 2 8 . Снова работает главная формула информатики.
Из описанного правила, в частности, следует:
Обобщение этих частных примеров приводит к следующему правилу. Если размер кода цвета равен b битов, то количество цветов (размер палитры) вычисляется по формуле:
Величину b в компьютерной графике называют битовой глубиной цвета.
Еще один пример. Битовая глубина цвета равна 24. Размер палитры будет равен:
К = 2 24 = 16 777 216.
В компьютерной графике используются разные цветовые модели для изображения на экране, получаемого путем излучения света, и изображения на бумаге, формируемого с помощью отражения света. Первую модель мы уже рассмотрели — это модель RGB. Вторая модель носит название CMYK.
Цвет, который мы видим на листе бумаги, — это отражение белого (солнечного) света. Нанесенная на бумагу краска поглощает часть палитры, составляющей белый цвет, а другую часть отражает. Таким образом, нужный цвет на бумаге получают путем «вычитания» из белого света «ненужных красок». Поэтому в цветной полиграфии действует не правило сложения цветов (как на экране компьютера), а правило вычитания. Мы не будем углубляться в механизм такого способа цветообразования.
О двух технологиях компьютерной графики — растровой и векторной — вы знаете из курса информатики основной школы.
В растровой графике графическая информация — это совокупность данных о цвете каждого пикселя на экране. Это то, о чем говорилось выше. В векторной графике графическая информация — это данные, математически описывающие графические примитивы, составляющие рисунок: прямые, дуги, прямоугольники, овалы и пр. Положение и форма графических примитивов представляются в системе экранных координат.
Растровую графику (редакторы растрового типа) применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Растровые иллюстрации редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют сканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. Для ввода растровых изображений в компьютер применяются цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов растрового типа в большей мере ориентированы не на создание изображений, а на их обработку.
Достоинство растровой графики — эффективное представление изображений фотографического качества. Основной недостаток растрового способа представления изображения — большой объем занимаемой памяти. Для его сокращения приходится применять различные способы сжатия данных. Другой недостаток растровых изображений связан с искажением изображения при его масштабировании. Поскольку изображение состоит из фиксированного числа точек, увеличение изображения приводит к тому, что эти точки становятся крупнее. Увеличение размера точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой.
Векторные графические редакторы предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.
Достоинства векторной графики — сравнительно небольшой объем памяти, занимаемой векторными файлами, масштабирование изображения без потери качества. Однако средствами векторной графики проблематично получить высококачественное художественное изображение. Обычно средства векторной графики используют не для создания художественных композиций, а для оформительских, чертежных и проектно-конструкторских работ.
Графическая информация сохраняется в файлах на диске. Существуют разнообразные форматы графических файлов. Они делятся на растровые и векторные. Растровые графические файлы (форматы JPEG, BMP, TIFF и другие) хранят информацию о цвете каждого пикселя изображения на экране. В графических файлах векторного формата (например, WMF, CGM) содержатся описания графических примитивов, составляющих рисунок.
Следует понимать, что графические данные, помещаемые в видеопамять и выводимые на экран, имеют растровый формат вне зависимости от того, с помощью каких программных средств (растровых или векторных) они получены.
Источник
Методы представления графической информации
Традиционно используются два метода представления графической информации — растровый и векторный.
При представлении графической информации в растровом виде используется технология хранения информации о каждом пикселе (pixel — picture element); пиксел является неделимой единицей — точкой изображения, данные обычно хранятся последовательно в формате одномерного массива, а ширина и высота изображения в пикселах описываются в заголовке файла), сохраняются данные о цвете (в единицах 2 1 =2 цвета, 2 8 =256 цветов и т.д.; также сохраняется информация о палитре — текущей таблице соответствий представляемого цвета и его кода). При моделировании объемных (трехмерных) объектов используется воксел (voxel — volume picture element), см. раздел 6.
Историческим аналогом данного метода явилась, вероятно, давно отработанная технология передачи и приема телевизионных изображений (такая же технология применяется при сканировании изображений). Типичным представителем этой методики является входящий в штатное cистемное ПО фирмы MS пакет Microsoft Paint; в настоящее время практически все графические редакторы поддерживают растровую графику. Практически все современные системы сохранения движущихся изображений (movie) используют растровый способ представления графической информации.
Вторым методом представления графических изображений является векторный способ. При этом неделимой единицей является вектор — определяемая начальной и конечной координатами прямая линия; аттрибутами являтся цвет (включая палитру), толщина, тип (сплошная, штрих-пунктирная и т.д.) линии. Вырождением линии (вектора) является точка (фактически растровый способ представления графической информации). На основе векторов строятся и более сложные графические примитивы — дуги, овалы, гладкие линии произвольной формы и т.д.
Данный метод является естественным для представления информации в виде чертежей, типичным представителем является пакет создания чертежной документации AutoCAD (соответствующие файлы формата DXF являются текстовыми и содержат описания графических примитивов в векторном виде); другим представителем пакетов векторной графики является CorelDraw (www.corel.com). Размеры файлов при векторном способе обычно значительно меньше, скорость же отрисовки изображений на устройствах вывода практически не отличается. Это объясняется почти 100% применением растровых дисплеев (применение векторных дисплеев в настоящее время ограничено), при этом изображение любых векторных примитивов сводится к (программной) конвертации в растровый формат; используется линейная или круговая интерполяция путем `засвечивания’ ближайших к вектору точек растра по методу Брезенхама (Bresenham, [1]). Заметим, что векторные графопостроители в настоящее время широко распространены и хорошо согласуются (по форматам передаваемых данных) с технологией векторной графики.
Конвертация между двумя указанными видами представления графической информации тривиальна лишь при переходе от векторной к растровой графике (метод Брезенхама), обратный переход требует значительных ухищрений (известны, например, конверторы сканированных растровых изображений в векторный формат AutoCAD‘а; при этом особенная сложность заключается в распознавании участков растра в районе `стыковки’ векторов, что обычно требует вмешательства оператора).
Существенно различаются для векторной и растровой графики процедуры линейного масштабирования. Если объекты векторной графики масштабируются элементарно, масштабирование растровой графики существенно сложнее (примитивное масштабирование в этом случае приводит лишь к превращению пикселов в прямоугольные образования) — применяются специальные алгоритмы заполнения и сглаживания [1]. Однако эти и более сложные (нелинейные преобразования) легко реализуются вычислительными возможностямиерррре ПЭВМ. Более сложные функции класса повышения резкости, оконтуривания, выделения градиентов и областей с заданными свойствами и др. определены лишь для растровой графики; большой набор предопределенных фильтров для подобных преобразований доступен в пакете AdobePhotoshop (www.adobe.com), задаваемые пользователем фильтры удобноприменимы в пакетеPaintShopPro (фирма Jasc, Inc., www.jasc.com).
Одна из простых операций такого рода — локальная цифровая фильтрация, осуществляемая путем взвешенного суммирования яркостей пикселов, находящихся в некоторой окрестности текущего пиксела [1].
1.1 Текстовые данные в мультимедиа
Текстовые данные (независимо от типа письма — иероглифического, алфавитного, смешанного) фактически являются частью представления информации в виде статических изображений (графики) и в целом описываются, обрабатываются и представляются теми же методами. Особенностью текста является его вторичность (по отношению к первичности речи, кодовым выражением которой текст формально и является), вследствие чего появляются дополнительные функции ММС: распознавания речи и обратная — речевого воспроизведения текста; эти функции становятся штатными даже для ОС. К сходным проблемам относится и вопрос распознавания символов (технология OCR — Optical Character Recognition). Фирма MS на сайте www.microsoft.com/downloads предлагает специализированную библиотеку разработчика систем распознавания речи Microsoft Speech API, системы распознавания и преобразования текста в речь Microsoft Speech Recognition и Microsoft Text-to-Speech; функциями речевого управления должен обладать пакет MSOffice10.
Символы внутримашинно представлены численным кодом (обычно 8-ю двоичными разрядами, перспективная кодировка UNICODE использует 16 бит и позволяет единообразно представить символы 2 16 = 65536 языков мира).
Наиболее распространенным в среде Windows текстовым (с элементами графики) редактором (текстовым процессором) является MS Word (www.microsoft.com/rus), из популярных настольных издательских систем следует упомянуть AdobePageMaker (www.adobe.com), XeroxVenturaPublisher (www.xerox.com) и QuarkXPress (Quark, Inc., www.quark.com).
Действие OCR-систем заключается в сопоставлении печатным символам (обычно представляемым в виде сканированного изображения) кодовому набору алфавита, понимаемому конкретным ПО обработки текстов (изображению символа ставится в соответствие его числовой код). Одной из распространенных OCR-систем является FineReader фирмы ABBYY Software (www.abbyy.ru). Последние версии продуктов этой фирмы (ABBYY FineReader Рукопись) позволяют распознавать формы (технология Document Capture — захват документа), например, бланки налоговых деклараций (с занесением информации из определенных полей бланка в поля базы данных).
Комплекс CognitiveForms принадлежит к классу OCR/ICR/OMR (Optical Character Recognition/Intelligent Character Recognition/Optical Mark Recognition — оптическое распознавание печатных символов/распознание рукописных символов/оптическое распознание меток) и реализует трехуровневую технологию распознания.
Для представления текстовой информации в приятной человеку форме используются шрифты. Шрифт (гарнитура) — набор символов, схожих по графическим особенностям. Начертание описывает характерные особенности шрифта (bold — жирный, italic — курсивный, normal — прямой). Кегль, или размер шрифта (size) определяется высотой прописной буквы, измеренной в пунктах (points); один пункт равен 1/72 дюйма (0,353 мм), в шрифте размером 12 пунктов прописные буквы имеют высоту 1/6 дюйма. Эффекты предоставляют возможность применить к выбранному шрифту различные способы оформления — подчеркивание, зачеркивание, оконтуривание, капитель, закрашивание в различные цвета и т.п.
Растровые шрифты имеют фиксированные форму и размеры (например, шрифт MS Sans Serif), причем при масштабировании (только целочисленном) форма символов искажается (возникает ступенька). Векторные (масштабируемые, контурные) шрифты (например, Modern) строятся точка за точкой при помощи специального штатного для OC Windows ПО (GDI — Graphic Device Interface) и допускают масштабирование в любое число раз без искажений, однако для их отрисовки требуются значительные ресурсы. Именуемая TrueType разновидность векторных шрифтов (например, Arial) пригодна для вывода как на экран так и на принтер и допускает масштабирование на размер от 1 до 999 пунктов. Близкими к TrueType являются шрифты в формате PostScript (предложенный Adobe и ставший всеобщим стандартом язык описания макета страницы, PostScript обеспечивает высококачественный вывод изображений, графики и текста, поддерживая при этом повороты, увеличение и уменьшение символов, для вывода изображений используется интерпретатор PostScript в принтере или в ПЭВМ); для принтеров Hewlett-Packard LaserJet, DeskJet возможно использование технологии PCL (Printer Control Language), позволяющей осуществлять форматирование распечатываемой страницы в самом принтере.
Шрифты типа TrueType при отрисовке строятся на основе реперных точек, соединенных плавными кривыми (используются квадратичные B- сплайны); ОС Windows имеет штатный набор функций для работы с этими кривыми. Современное ПО создания новых шрифтов (Fontographer фирмы Macromedia,Inc., www.macromedia.com; FontLab фирмы Adobe, www.adobe.com и др.) позволяет разрабатывать формы символов в графическом диалоге с пользователем, задавая базовые точки и соединяя их кривыми. Деятельность разработчиков шрифтов координирует ежегодная конференция ATypI (Association TypographiqueInternationale, www.atypi.org).
Чисто технической сложностью является работа пользователя с текстовыми данными на фоне (растровой или векторной графики). В примитивных графических редакторах класса MS Paint после ввода текста его редактирование невозможно, так как он преобразуется в растр. В более мощных редакторах текст сохраняется как отдельный объект (с указанием аттрибутов — фонта, размера, цвета и др.) и при этом отображается в растровом или векторном виде; редактирование объекта позволяет легко изменять текст (и его аттрибуты).
К настоящему времени число форматов (в случае Window формат обычно определяется расширением имени файла) представления изображений определяется десятками и практически не растет далее (чего нельзя сказать о методах компрессии данных). Формат в большинстве случае определяется расширением имени файла (для MS Windows), однако в некоторых случаях информация в файле с одним и тем же расширением может оказаться сжатой различными методами.
Наипростейшим случаем сохранения растрового изображения является последовательное кодирование триад цвета в каждой точке изображения; при этом объем файла изображения будет не менее XY3N байт (X,Y — ширина и высота изображения в точках, N — число байт кодирования интенсивности каждого цвета). При размерах изображения 640480 и `глубине’ цвета в 2 байта (2 16 =65536 градаций) размер файла не менее 640480322 Mбайт ! Учитывая, что в настоящее время обычно применяется глубина цвета в 3 или 4 байта (2 24 =16’777’216 или 2 32 =4’294’967’296 градаций интенсивности цвета) и значительно большие размеры изображения, хранение полноцветных изображения без компрессии практически невозможно (о методах компрессии см. подраздел 2.3).
Одним из (исторически) первых форматов сохранения изображений явился точечный рисунок Windows (расширение имени файла .BMP, .RLE или .DIB; именно с BMP-форматом работает Windows-штатный графический редактор MS Paint. Близким к BMP является формат ICO, до сих пор применяемый для сохранения изображений в виде маленьких `иконок’.
Файлы формата PCX (PC Paintbrush) использовались в основном в MS DOS и Windows’3x, поддерживается сжатие (компрессия) по методу ZSoft.
Графические файлы формата TIF (Tagged File Format) поддерживают все глубины цветности и используют сжатие.
Формат GIF (Graphics Interchange Format) поддерживает только 256-цветные изображения и (в современных версиях GIF87/GIF89) последовательность изображений (анимация); для использования на страницах HTML (HiperText Markup Language) важно свойство `прозрачности’ (transparent) GIF-файлов. Для создания и редактирования анимированных GIF-файлов имеется большое количество ПО (например, Ulead GIFAnimator, www.ulead.com).
JPG-файлы (JPEG File Interchange Format) являются сильно компрессованными (возможно выбирать уровень компрессии в ущерб качеству изображения) и практически монополизировали InterNet (кроме небольших анимированных `ярлычков’, где применяется GIF).
Формат DXF активно применяется фирмой AutoDESC (www.autodesc.com) в пакете AutoCAD и является стандартом обмена векторной графикой; DXF-файл является текстовым, поддерживает определения сложных объектов, вложенность блоков и др. Текстовый формат этих файлов способствовал их широкому распространению, т.к. (относительно) несложно разрабатывать пользовательские программы для считывания, анализа и создания DXF-файлов. Специально для применения в сети InterNet фирма AutoDESC разработала формат DWF (Drawing WEB File).
Продвигаемый MS формат WMF (Windows Metafiles Format) поддерживает векторную графику (и поэтому изображения легко масштабируются) и позиционируется как средство поддержания объектов галлереи кадров (Microsoft Clip Gallery).
Проблема авторизации изображений решен путем внедрения в файл изображения т.н. цифровой метки (компания DigimarcCorp., www.digimarc.com). Эффективность методики настолько высока, что единожды внедренная метка обнаруживается даже после сложных манипуляций с изображением и сканирования картинки, технология принята штатной в продуктах фирм Adobe (www.adobe.com) и Corel (www.corel.com).
Формат PDF (Portable Document Format) той же фирмы является форматов электронных документов и может включать текст, графику (как растровую, так и векторную) и иные данные.
Большое количество других форматов изображений используется не столь часто и здесь не рассматривается; некоторые из вышерассмотренных форматов изображений используются и при создании видеофильмов (см. ниже). Практически все форматы изображений пригодны для использования в качестве объектов для предложенной MS технологии внедрения или связывания объектов (OLE); причем `внутри’ конкретного приложения изображения сохраняются (в случае внедрения) в специфичном формате, для перекодирования применяются (автоматически применяемые) т.н. `графические фильтры’.
